用改进的ＥＨＭＯ方法对分子氮和乙炔作为固氮酶底物时的络合活化模式进行了总能量及电荷分布的量化近似计算。结果表明固氮酶底物活性中心（ＦｅＭｏ－ｃｏ）对于分子氮和其它底物在络合活化时是区别对待的

万惠霖

刘爱民

周泰锦

张鸿图

蔡启瑞

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1 9 9 4 ; 2 1 (2 ) 生物化学与生物物理进展 Pr o g.Bio e h e m.B io Phy s·1 7 1奥。宁.加月卜 申月卜 卜门卜 卜 月卜石开 {芥艺·l央乎及。.。 , 。卜, l ,一,lr. ,一夕固氮酶底物络合活化模式的量子化学计算‘刘爱民 周泰锦 张鸿图 万惠霖 蔡启瑞‘ ’(厦门大学化学系、物理化学研究所,厦门 3 61 0 0 5)摘要 用改进的 E H M O 方法对分子氮和 乙炔作为固氮酶底物时的络合活化模式进行了总能量及电荷分布的量化近似计算.结果表明固氮酶底物活性中心 (Fe M。一co ) 对于分子氮和其它底物在络合活化时是区别对待的.关键词 固氮酶,铁铝辅基. E H M O 方法,配位固氮酶是一种多异核金属原子簇的复合金属酶.有关该酶底物活性中心 Fe M 。一辅基化学结构的研究,是固氮酶催化作用及其化学模拟的焦点问题.最近,R e s 和 Bol in 等分别独立发表 了 Av菌和 CP 菌 中固 氮酶 Mo Fe一蛋 白0. 2n m 分辨率的晶体结构 分析结果 [l一 ‘〕.初步揭示了 M一簇 (体外时称 Fe M 。一co ) 和 P一簇的结构图像,使固氮酶活性 中心结构的研究有了重大突破.一直被认为是底物活性中心的 M一簇果如十多年前人们预料到的是立方烷型簇合物.由两个缺 口 (或 活 口 含 H ) 立方烷,F e 乃3和M o Fe3s3 ,靠两个硫桥 ( 拌2 一s )。和一个 Y 配体( 拌2 一S 或 拌2 一O,拜:一N H ) 桥联形成具有近似 C3 v对称的笼状原子簇结构,M o 原子不在中心而处在一端的角落位置上 (如图 1).对 R e s 的晶体结构分析中尚未 能确定 的 Y 配体归属 问题的量子化学研究的初步结果圈表明,未知配体Y 为 0 一或 H N 一的可能性最大 [2.5,‘〕.同时量子化学计算结果结合配位化学和络合催化原理揭示 了 Y ( 0 ) 位底物活化过程 中,邻位加氢后即可作为活性中心吞吐底物、产物的活窗口 的可能作用方式.应 用群分 解 E H M O 程 序 E H G一l [ , ] 的改进版 (用 N D P Fo r t r a n一3 5 6 重新编译,无任何对称性时即可算 2 6 0 维,在 M S一D (〕5 6,I n t e l8 0 3 8 6D X / 3 3 C PU + I n t e l 8 0 3 8 7 D X 2 5,4MBR A M 的软硬件环境下运行;轨道 指数及能量参数取自 IC O N S 程序参数.模型的结构参数取 自 E X A FS 和 X 射线衍射数据 [s.’」),对分子氮和 乙炔作为固氮酶底物的络合活化模式进行了总能量及 电荷分布的量化近似计算.结果表明固氨酶的活性中心 (F e M o一co )对于分子氮和其它底物在络合活化时是区别对待的.(或 N H )。 / O 、/ Je犷_、人 S一F宁礼一Fe 魔一,‘ \ , 莎S钾吧弓琢飞 h犷 / 丫亡HS叮“八s / Fe 卜亏图 1 分子氮与 FeMO 一辅荃平躺式络合的t 化计算模型F e l一Mo ~ 0.7 5 n m, F e Z一Fe 7 = 0.2 5 n m,F e Z一Fe s= 0.3 8 n m, Fe ‘一S ~ 0.2 3 n m.a.分子氮的络合活化模式以分子氮在 M一簇内部靠近 Mo 原子并与·国家基础性研究重大关键项 目 (攀登计划 ) 子课题及固体表面物理化学 国家重点 实验室开放课题基金资助.· ‘厦门大学化 学系 89 级雷德斌同学参加了本工作.收稿 日期: 1 9 9 3一 。一 1 9 , 修回 日期:1 9 9 3一12 一 0 9·1 7 2·生物化学与生物物理进展 P r o g.B io c h e m.B io Ph ys.1 9 9 4 ; 2 1 (2 )之成键的络合方式称平躺式 A,按图 1 所示的最佳几何位置平躺式络合定义为平躺式 B,介于两者之间的状态称平躺式 C.图 1 中由 4 个S (或 3 个 S 和一个 Y 配体 ) 桥联的 Fe 构成了0. 25 n m X 0. 38 n m 的三个 窗 口.以 NZ分子通过 Fe : , F e 。,Fe : 和 Fe。窗 口指向 Y (O )的插入方式定义为直插 A,直对 S 的另外两种情形分别称为直插式 B 和直插式 C.与络合方式有关的能量计算结果列于表 1.平躺式络合的三种情形中,NZ靠近 Mo 原子 (平躺 A )并与之成键和远离 Mo 原子而处于模型中点时 (B ) 在能量和 电荷分布上都比处于中间态的络合方式 (C ) 有利.当 N:与 Mo 原子成键时,能量值儿乎与平躺式 (B ) 相近,表明 N 三N 与 MO 以单端基 (络合到 MO ’ / “ ) 加三侧基 (络合到 3 个 Fe ’ / ’ )模式络合的亲和力可以与络合到 6 个 Fe ’ / ’ ) (价一N , ) 的亲和力相比拟,并在 MO 周 围形成单 盖帽 的 7 配 位构型.在活性中心结构参数相同的情况下,N Z 分子直插的三种情形能量相差显著.能量最有利的情形是 NZ分子单端基对准 Y 配体的状态.显然,N 三N 若以直插方式进入 Fe M o一co 中直径约为 4 人的空腔,最可能的前驱性络合方式是直插 A 的方式.这个结果支持了我们不久前提 出的 Y (O 一或 N H 一 ) 可作为底物进出活窗口的假设川.分子直插式 A 的情况下,N : 分子与 6 个 Fe采取 多端基络合方式,而在平躺式 A 的情况下,N Z 的络合模式是单端基加三侧基;且前者的空间因素亦较 为有利,因而在能量 上要低 一皿七b.乙炔分子的络合活化模式乙炔分子络合活化行为是否和分子氮相似呢 ? 计算结果表 明,对于乙炔分子,不论是平躺式络合还是直插式络合在能量上都是 不利的.乙炔分子在腔内络合导致体系总能量高于Fe MO 一co 模型与乙炔分子能量之和,即络合能为负值.乙炔分子较氮分子长,直线型的乙炔分 子长达 0.3 3 2 5 n m (适度活化的 C一C 键长0.1 2 o 7 n m,C一H 键 长 0.l o 5 9 n m )〔, 。〕; 另外,为了使 乙炔分子的 C 与 M。成键,C一H 键的取 向需发生变化,键 角一C 三 C一H 由 18 。度变为小于 1 8 0 度,即氢原子要指向腔壁.所以,乙炔如采取腔 内络合方式,因空间位阻产生的排斥作用较大,导致能量上不利.但考虑 到乙炔是 NZ分子酶促还原反应的竞争性抑制剂这一 实验事实,在 Fe M 。一co 结构 发生变易的情况下.乙炔分子在腔 内络合的可能性尚不能完全排除.参 考 文 献K lm J,R e e s D C.K im J,S e 一e n e e,1 9 9 2 ; 2 5 7: 1 6 7 7Ch a n M K,R e e s D C.S e ie n e e,1 9 93 ; 2 6 0: 7 92表 1络合方式能量值/ e V络合方式能量值/ e V分子氮可能的络合活化方式的能 t 比较平躺 A 平 躺 B 平躺 C一 2 1 8 7.1 8 9 5 一 2 1 8 7.0 5 8 6 一 2 1 8 4.9 9 1 9直插 A 直插 B 直插 C一 2 1 9 1.8 3 5 1 一 2 1 8 6.9 7 7 8 一 2 1 8 4.2 2 1 6如单从能量上分析,NZ分子的直插式络合 (A ) 比平躺式要稍有利一些.即使 N:分子按平躺式 A 络合,其能量仍然 比直插式 A 的能量要高 出 4e V 以上.之所以会出现直插式(A )在能量上 比平躺式有利,可能是因为在 NZ3 K im J,W o o D,R e esD C.B io eh e m is t r y,1 99 3 ; 3 2 (2 8 ):7 10 44 勘ll n J T,R o n e o A E,M o r g a n T V et a l.P r o e N a t lA e a dS e l U SA,19 9 3 ; 90: 10 7 85 刘爱 民,周泰锦,万惠霖等.高等学校化学学 报.1 9 9 3 ;14 (7 ):9 9 66 S ellm a n n D.A n g e w C he m—In t Ed E n g l,19 9 3 ; 3 2(l ):6 47 周泰锦,王南钦.厦门大学学报 (自然科学版 ), 1 9 85 ; 24(3 ):3 4 58 B u r g e s s B K.Ch e m R ev ,] 9 9 0 ; 9 0 (8 ): 1 3 7 79 Ch e n J.J A m Ch e rn soe , 19 9 3 ; 11 5 (1 3 ):5 5 0 910 万惠霖.蔡启瑞.厦门大学学报 (自然科学版 ),19 81 ; 20(l ): 6 2一1 9 0. ABSTR ACTSS H E N G W U H U A X U E YU S H E N G W U W U L I JIN Z H A NPr o g.B io e h e m.B io p hys.(Ch in a ) 1 9 9 4 ; 2 1 (2 )s u PPr e s s o re s o Ph a g e a lw e r e Po ln tfr a m e sh ifte s o p h a g e a lg e n e P 5 3e a n e e r.Itn 1 U ta t lo n In、V a S fo u n d tha th u m a nthe r em u t a t io n.in s e r tio n a n dm u ta t io n o f p 5 3 g e n e ind e !e t io nh u m a nC a n Ce r。 In t r o n 5 a n d 8 s e q u e n e e s o fp 5 3 g e n es e q u e n e e dln h u m a n a n d R h e s u s m o n ke y w e r en u ele o t id e sK e y w o r d s1ll o ra n d in m o n k e y the y a r e 8 1 a n d 9 2r e sP e e t iv e ly.PC R,t u m o r s u p p r e s s o r g e n e.t u-Qu a n tu m C a le u la tio n fo r th e C o o r d in a tio nM o d e s o f Su b s t r a te s B in d in g o n N it r o g e n a s eA c tiv e一C e n ter.L iu A im in,Z ho u T a ijin.Z h a n gH o n g t u,Wa n H u ilin,Ca i Q ir u i ( T as iK h ir u i).(及户a rt m e n t of Che , n is t妙 a n d I n s li-tu t‘ of P勿s ic a l Che m ist即,X ia m e n U n iv er s i-ty,X ia m e n 3 6 10 0 5 ).Pro g.B io c h e n 2.B i仆P勺5.(C h in a ),1 9 9 4 : 2 1 (2 ) : 1 7 1E H M O s t u d ie s o f N: a n d CZHZ e o o r d in a r io n一 a e -t iv a tio n le d t o the e o n e lu s io n tha t the ir o n-m o lybd e n u m e o fa e to r o f n it r o g e n a s e m ig ht b ea b le to g iv e a s p e e ia l t r e a t t o it ss Pe e ia ls u b-s tr a t e,1.e.N 三 N.T he e x o g e n o u s s u b s t r a te se x e e p t NZ a r e a p p a r e n tly n o t to g e t in t o th ee a g e o f th e a e t iv e一 e e n te r a n d / o r to m a n o e u v r ea s fr e e ly a s N 三N in s id e th e e a g e w ith the p r o-p o s e d s t r u e t u r a l s e tt in g s.K ey w o r d s n it r o g e n a s e,Fe M o一 e o fa e to r,EH M O a p p r o a eh,e o o r d in a tio nm e t h o d.T h es Pin p r o b e 15 C A T12.T h e n u m-b e r o f s u r fa e e e ha r g es sh ie d e d b y a e e t yla t io nw a s a d a P te d a s a e r it e r io n t o e a le u la t e th e s u r-fa e e e ha r g e n u m b e r s o n b o th s id e s o f th e p u r-Ple m e m b r a n e fr o m s u r fa e e PH 4一 1 1.T h e r e-s u lt、ho w s th a t the to ta l s u r fa e e n e g a t iv ee ha r g e n u m b e r s a r e 9 p e r b a e t e r io r ho d o p s in a ts u r fa e e PH S一 9 bu t in e r e a s e s bo t h a b o v e s u r-fa e e PH 9 a n d b e lo w s u r fa e e PH 5.It s u Pp o r t ss tr o n g ly the m o d e l b a s e d o n fiv e d iv a le n te a tio n bin d in g s it e s o n the s u r fa e e o f p u r p lem e m br a n e.K e y w o r d s Pu r Ple m em b r a n e,b a e t e r io h o-d o p s in,a e e ty la t io n,E S R,s u rfa e e e ha r g en u m b e rM e as u r em e n t o f S u r fa ee C h a r g e N u m b er s o fPu r Ple M em b r a n e.Wa r一9 G u a n g yu,H u K u n-sh e n g,Z ha n g H e n g ta o.(In s titu le of B i*P勺s ic s,A e a d e m ia S in ic a,B eij in g 1 0 0 10 1 ).P ro g.B io c he m.B ioP勺5.(C hin a ),1 9 9 4 : 2 1(2 ) : 1 7 3T he p H一d e p e n d e n t s u r fa e e e ha r g e d e n s itie s o fth e a e e ty la te d a n d the n a t iv e p u r p le m e m b r a n ew e r e d e t e r m in e d by th e E S R s p in la b leT h e E x Pr e ssio n o f P5 3,R b a n d e一m yc G e n em R N A in H u m a n Pr im a ry B r a in T u m o r.T a nD e y o n g.L in X i,S u n Z hilin.(刀护 a rt me n t ofB io c h e m is t理 W e st C hin a U n iv e ri s ty of 材七d ic a lS e ie n c e,Ch e n g d u 6 1 0 0 4 1 ).P ro g.B io e h e ln.B IOP勿5.(C hin a ).1 9 9 4 : 2 1 (2 ) : 1 7 52 1 hu m a n p r im a r y b r a in g lio m a s a n d 1 1 hu m a nm e n ig io m a s w e re e x a m in e d w it h R N A d o t b lo thy b rid iz a t io n fo r t he e x p r e s s io n o f P5 3,R ba n d e一m ye g e n e.It w a s fo u n d tha t th e le v e l o fp 5 3 g e n e e x p r e s s io n 15 lo w e r in 4 8·4 % (1 5 / 3 1 )o f the t u m o r s t e s te d th a n tha t o f n o r m a l b r a int is s u e s : th e le v e l o f R b g e n e e x p r e s s io n 15 lo w-e r in 2 1.9 % (7 / 3 2 ) fo r th e t u m o r s t e s t e d th a nt ha t o f n o r m a l t is s u e s ; a n d the le v e l o f e一m yeg e n e e x p r e s s io n 15 h ig he r in 7 1.9 % (2 3 / 3 2 ) fo rthe t u m o r s t e s t e d tha n tha t o f n o rm a l t is s u e s.In te r e s t in g ly,in 1 3 o f th e t u m o r s t e s te d,th ele v e l o f p 5 3 g e n e e x p r e s s io n 15 lo w e r a n d th ele v e l o f e一m y e g e n e e x p r e s s io n 15 h ig he r.T he s e r e s u lt s s u g g e s te d th a t the e x p r e s s iv ed e e re a s e o f p 5 3 g e n e a n d th e e x p r e s s iv e in-e r e a s e o f e一m ye g e n e a r e r e la t iv e t o th e g e n e r a-t io n o f h u m a n p r im a r y b r a in t u m o r.

固氮酶底物络合活化模式的量子化学计算

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